揭開電池之謎
顯微鏡回答了長期以來關(guān)于富鋰的過渡金屬氧化物的問題
2015年11月16日 9:23 4384次瀏覽 來源： 新材料在線 分類： 新技術(shù)
來自伯克利國家實驗室的研究人員通過使用互補顯微鏡技術(shù)和光譜技術(shù)，解決了富鋰和富錳過渡金屬氧化物的結(jié)構(gòu)問題。
研究人員將關(guān)于材料結(jié)構(gòu)的理論分成三類，由Alpesh Khushalchand Shukl和Colin Ophus帶領(lǐng)的團隊經(jīng)過四年的研究發(fā)現(xiàn)，其中最不流行的一種理論其實是最正確的一種。該研究發(fā)表在《自然通訊》雜志上。其他合作者包括Guoying Chen、Hugues Duncan、Quentin Ramasse 和Fredrik Hage。這種材料非常重要，因為和當(dāng)前使用的鋰離子電池相比，這種電池的充電能力提高了一倍。當(dāng)然，其也存在一些問題，例如電壓減退、直流電阻增加等。一個電量顯著增加的電池不僅可以撼動手機市場和電腦市場，同時也有可能改變當(dāng)前電動汽車的格局。當(dāng)前的鋰離子電池幾乎已經(jīng)走到了其理論極限的邊緣，如果我們想要有效增加其畜電能力，我們只能改變其化學(xué)材料。
通過使用伯克利分子鑄造實驗室國家電子顯微鏡中心（NCEM）的顯微鏡和英國達斯伯里的超級STEM，研究人員獲得了這種材料的原子級別的圖像。由于之前的研究關(guān)于結(jié)構(gòu)部分都含混不清，因此該研究則集中于從不同方向觀察材料，以期能獲得更多結(jié)構(gòu)細節(jié)?？茖W(xué)家根據(jù)材料結(jié)構(gòu)分成了三個陣營：單三角相、兩相或缺陷單斜相。材料的相對應(yīng)著原子排列的不同方式，Ophus解釋了研究人員獲得不同結(jié)論的方法：兩相和單項非常接近，這和比較蘋果和橘子不同，更像是從遠處分辨橘子和柚子，很難發(fā)現(xiàn)兩者之間的區(qū)別。
除了從原子層面觀察材料以外，研究人員也從整體上觀察粒子，而不僅僅是局部。通過將這些證據(jù)放到一起，Shukla 和 Ophus相當(dāng)確信這種材料實際上是缺陷單斜相。“我們的研究結(jié)果非常偏向于缺陷單斜相。”Ophus說。Ramasse說，“我們需要知道原子層級上發(fā)生的變化，從而能夠理解材料的宏觀行為，因此這些先進的電子顯微鏡對于發(fā)現(xiàn)這些特點至關(guān)重要。”
除了解決了材料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)問題，該研究小組也解決了材料的表面結(jié)構(gòu)問題，即一些具有特定晶面的原子層。由于鋰離子的嵌入開始于表面，因此理解材料的表面結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。
除了使用STEM以外，該小組還采用了其他的技術(shù)來進行觀察，例如電子能量損失譜（EELS）和X射線能量色散譜（XEDS）。“我們首次介紹了其表面結(jié)構(gòu)的形態(tài)、厚度、晶面取向和材料內(nèi)部的關(guān)系，并且確定其晶面。”Ophus說。該研究的一個重要部分就是樣品的數(shù)量和質(zhì)量。該實驗的樣品是由博士后研究人員Duncan準(zhǔn)備的。“原本我們可以提前一年完成這篇研究，但是由于我們想盡最大可能避免不必要的爭議，因此研究周期延后了。”Shukla說。最后，這項研究差不多耗時4年，Ophus稱之為顯微鏡的杰作。
新材料在線編譯整理——翻譯：楊超 校正：摩天
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